工業(yè)機(jī)器人紅外視覺系統(tǒng)快門補(bǔ)償效果的實(shí)驗(yàn)研究

陳淑玲 趙 鑫 林利芬

（武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院，湖北武漢430205）

0 引言

通常，輻射率越高則補(bǔ)償效果越好，所以現(xiàn)有的快門顏色大多為黑色，表面處理多采用氧黑、噴砂氧黑、噴塑、涂黑漆等工藝。從理論上分析，快門放置在光路中的位置不同，其補(bǔ)償效果也不一樣。

本文試圖驗(yàn)證輻射率與快門補(bǔ)償效果之間的關(guān)系，并尋找到一種輻射率高的材料或表面處理工藝，用這種材料或表面處理工藝來(lái)制作快門，從而全面提高工業(yè)機(jī)器人紅外視覺系統(tǒng)的補(bǔ)償效果，一定程度上提高成像質(zhì)量。

1 輻射率的定義及計(jì)算、測(cè)量方法

同一物體的輻射率等于吸收率，通俗地講就是“好的吸收體也是好的輻射體”，但根據(jù)其定義無(wú)法進(jìn)行輻射率計(jì)算、測(cè)量的實(shí)際操作，因此本文提出了一種更具有操作性的近似的輻射率計(jì)算、測(cè)量方法。

先定義下列變量：

Wtot——探測(cè)器接受的總輻射能；

Wobj——目標(biāo)的總輻射能；

Watm——大氣的總輻射能；

Wamb——周圍環(huán)境的總反射輻射能。

由式（1）整理得：

在室內(nèi)條件下τ=1，可得：

由參考文獻(xiàn)知，表面溫度為T，光譜范圍為[λ1，λ2]，當(dāng)λ1=0，λ2=∞時(shí)：

其中，б=5.67×10-8W/（m2·K4）。

可先用傳統(tǒng)的測(cè)溫裝置測(cè)得Tamb和Tobj，然后通過(guò)式（4）計(jì)算出Wamb和Wobj。Wtot可利用紅外熱像儀間接測(cè)得，方法是將熱像儀的拍攝輻射率設(shè)置為1，即ξ′=1，則式（1）可寫為：

2 輻射率的測(cè)量實(shí)驗(yàn)

本文測(cè)量輻射率的方法就是根據(jù)上述輻射率的推導(dǎo)原理制定的。工業(yè)機(jī)器人紅外視覺系統(tǒng)有一可設(shè)置的參數(shù)ξ，ξ表示的是被測(cè)物體的輻射率，以黑體為參照物，近似認(rèn)為黑體的輻射率為1，將快門片緊貼在黑體的正中心，等快門片溫度穩(wěn)定后，使用工業(yè)機(jī)器人紅外視覺系統(tǒng)測(cè)量黑體和快門片的實(shí)際溫度，假設(shè)為T1、T2，通過(guò)調(diào)節(jié)ξ，使得T1=T2時(shí)，近似地認(rèn)為這時(shí)的ξ為快門的輻射率。

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）將一號(hào)快門片（本地氧黑處理，如圖1所示）緊緊貼在黑體的正中間位置，黑體溫度設(shè)定到60℃，等到黑體溫度穩(wěn)定后再保溫0.5 h。

圖1 本地氧黑處理快門

（2）把工業(yè)機(jī)器人紅外視覺系統(tǒng)的參數(shù)ξ設(shè)置為1，測(cè)量黑體的溫度，記為T1。

（3）用某熱成像儀測(cè)量快門片溫度的時(shí)候，通過(guò)改變?chǔ)蔚闹担沟肨2=T1，記錄此時(shí)ξ1的值，這個(gè)值就是一號(hào)快門的輻射率。

（4）更換快門片，重復(fù)以上步驟，分別測(cè)量不同材料和表面處理工藝的快門的輻射率。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：測(cè)得表面處理為本地氧黑、北京雙面氧黑、表面貼青殼紙、表面貼砂紙的快門輻射率ξ分別0.92、0.94、0.945、0.86。

3 不同輻射率的快門補(bǔ)償效果實(shí)驗(yàn)

通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)想來(lái)驗(yàn)證輻射率與快門補(bǔ)償效果之間的關(guān)系，驗(yàn)證是否輻射率越高的快門補(bǔ)償效果就越好。那么怎樣判斷補(bǔ)償效果的好壞呢？可以通過(guò)讀取測(cè)試程序里的非均勻性數(shù)值NUC來(lái)衡量，先計(jì)算一片成像區(qū)域所有像元的平均AD值X（AD值能表示像元的亮度），然后再求得每個(gè)像元的AD值Xi與均值X之間的差的平方和。即如表1數(shù)據(jù)顯示，各個(gè)像元之間AD值的差異越小，則N值也越小。

表1 不同輻射率的快門非均勻性計(jì)算

不同輻射率的快門補(bǔ)償效果曲線如圖2所示。

圖2 不同輻射率的快門補(bǔ)償效果曲線

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用控制變量法，即在兩次或多次對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，保證只有快門的一個(gè)實(shí)驗(yàn)條件不同，其他實(shí)驗(yàn)條件保持一致，保證快門測(cè)試的準(zhǔn)確性。由不同輻射率的快門補(bǔ)償效果實(shí)驗(yàn)可知，貼青殼紙快門在不同非均勻區(qū)域的對(duì)比非均勻性數(shù)值最小，補(bǔ)償效果最好，其次是北京氧黑快門。在不同非均勻區(qū)域的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與事先的推論基本一致，這也就驗(yàn)證了快門輻射率越高，補(bǔ)償效果越好。采用貼青殼紙快門對(duì)提高工業(yè)機(jī)器人紅外視覺系統(tǒng)補(bǔ)償效果、提升成像質(zhì)量有一定的作用。